[论文解读] GRB 221009A: a potential source of ultra-high-energy cosmic rays

Rafael Alves Batista|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 9

一句话总结

本文提出，GRB 221009A 是能量高于 1 EeV 的超高能宇宙射线（UHECRs）的来源，其与宇宙辐射场的相互作用可在地球上探测到高能伽马射线和中微子。若星系际磁场足够微弱（<10⁻¹⁷ T），UHECRs 可避免显著偏转，其级联产物可在此前观测时间窗内抵达，从而无需引入洛伦兹不变性破坏或类轴子粒子等新物理，即可解释 18 TeV 和 251 TeV 光子的探测结果。

ABSTRACT

Recently an extraordinarily bright gamma-ray burst, GRB 221009A, was observed by several facilities covering the whole electromagnetic spectrum. Gamma rays with energies up to 18 TeV were detected, as well as a possible photon with 251 TeV. Such energetic events are not expected because they would be attenuated by pair-production interactions with the extragalactic background light. This tension is, however, only apparent, and does not call for any unconventional explanation. Here I show that these observations can be interpreted as the result of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) interacting with cosmological radiation fields during their journey to Earth, provided that intergalactic magnetic fields are reasonably weak. If this hypothesis is correct, it would establish bursts like GRB 221009A as UHECR sources.

研究动机与目标

• 在不引入非传统物理的前提下，解释从 GRB 221009A 探测到的超高能伽马射线（最高达 18 TeV，可能高达 251 TeV）的原因。
• 检验来自 GRB 221009A 的超高能宇宙射线（UHECRs）是否可通过与宇宙背景场的相互作用产生可探测的伽马射线和中微子。
• 在星系际磁场条件合理的前提下，评估 GRB 221009A 作为 UHECR 来源的可行性。
• 考虑传播延迟的影响，评估观测到的高能光子与爆发事件在时间和空间上的相关性。

提出的方法

• 通过一维模拟研究 UHECR 在星际空间中的传播，采用光致产π介子、Bethe-Heitler 对产生及光致分解的能损与截面数据。
• 计算 UHECR 与河外背景光（EBL）、宇宙微波背景（CMB）及宇宙射电背景（CRB）相互作用所产生的宇宙成因伽马射线与中微子通量。
• 评估星系际磁场（IGMFs）对 UHECR 偏转及传播时间延迟的影响，要求 IGMFs < 10⁻¹⁷ T 才能实现最小偏转。
• 将预测的伽马射线与中微子通量与 LHAASO、Carpet-2 及 Pierre Auger 和 IceCube 等中微子观测站的观测限制进行比较。
• 在保守与乐观情景下，评估爆发与高能探测结果在时间与空间上的一致性显著性。
• 引入与刚度相关的能量截止，以考虑在星系团和丝状结构等致密环境中传播效应的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的来自 GRB 221009A 的 18 TeV 和 251 TeV 伽马射线，能否通过 UHECR 与宇宙背景场相互作用产生的宇宙成因伽马射线解释，而无需引入新物理？
• RQ2 为保持 UHECR 诱导伽马射线与 GRB 之间的时间与空间相关性，星系际磁场需达到何种强度？
• RQ3 UHECR 相互作用产生的中微子通量是否与 Pierre Auger 和 IceCube 当前的观测限制一致？
• RQ4 能量高于 40 EeV 的 UHECR 是否能穿越星际空间并存活至地球，同时在观测时间窗内产生可探测的级联产物？
• RQ5 GRB 221009A 位于宇宙空洞中，还是位于丝状结构或星系团等更致密的环境中？这一环境如何影响其解释？

主要发现

• 若星系际磁场弱于约 10⁻¹⁷ T，能量高于 40 EeV 的 UHECR 可通过宇宙成因级联产生高达约 1 PeV 的可探测伽马射线。
• LHAASO 探测到的 18 TeV 伽马射线及 Carpet-2 检测到的 251 TeV 候选事件，可通过 UHECR 诱导的电磁级联解释，无需引入洛伦兹不变性破坏或类轴子粒子等新物理。
• UHECR 相互作用产生的中微子通量与 Pierre Auger 和 IceCube 当前的观测限制一致，尤其在考虑时间延迟与角扩散后更为显著。
• 若 GRB 不位于星系团中心，且喷流未对准宇宙丝状结构，则 UHECR 诱导伽马射线与 GRB 之间的时间与空间相关性可得以保持。
• 在保守假设下（包括刚度依赖的能量截止），该假说具有可行性，且可通过 IceCube-Gen2、POEMMA 和 GRAND 等未来设施进行检验。
• 若在 >100 PeV 范围内未探测到中微子，将可排除最高能伽马射线事件的 UHECR 来源假设。